BLDC 모터 및 Infineon의 무센서 자속 기준 제어 시작하기

전기 모터는 가정, 직장, 자동차 등 많은 곳에서 사용됩니다. 전형적인 오늘날의 자동차를 예로 들면, 자동차 한 대에 평균 약 35개의 모터가 사용됩니다. 표준 DC 및 브러시리스 DC(BLDC) 모터 둘 다 연료 펌프부터 창 올리기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다(그림 1).

그림 1. DC 및 브러시리스 DC(BLDC) 모터의 일반적인 응용 분야 (이미지 출처: Infineon)

전기 및 하이브리드 전기 자동차가 증가함에 따라, 차량 1대당 사용되는 모터의 수가 증가하고 있습니다. 자동차, DC, BLDC 모터는 다양한 산업 자동화, 제어, 로봇 공학 응용 분야에 널리 사용됩니다.

BLDC 모터는 브러시 DC 모터에 비해 성능이 우수하기 때문에 일반적으로 까다로운 응용 분야에 사용됩니다. BLDC 모터는 DC 모터에 비해 높은 효율성, 긴 수명, 중량비당 높은 토크 수치를 제공합니다. BLDC의 단점은 비용이 많이 들고 추가적인 컨트롤러 회로망이 필요하다는 것입니다.

개인적으로 최근 배터리 구동 드릴과 임팩트 드라이버를 브러시에서 브러시리스 DC 모터 기술로 업그레이드했습니다. 토크와 배터리 수명이 크게 향상되었고 추가적인 비용을 들일 만한 충분한 가치가 있었습니다.

BLDC 모터

BLDC 모터는 기존의 표준 DC 모터를 변형한 것입니다. BLDC 모터의 기본적인 차이점으로 인해 정류가 기계식 브러시가 아닌 전자적인 방식으로 작동해야 합니다. BLDC 모터의 회전자는 여러 개의 영구 자석으로 구성되며, 고정자는 영구 자석에 각각 여러 개의 폴로 연결됩니다. 제어 회로를 통해 권선에 전원이 공급되고 회전 자속이 발생합니다. 회전자 자석이 회전 고정자 자속에 맞게 조정되면서 동작 및 토크가 발생합니다.

무센서 자속 기준 제어(FOC)

무센서 자속 기준 제어(FOC)는 BLDC 모터의 속도와 토크를 제어하는 데 사용되는 방식 중 하나입니다. 자속 기준 제어(벡터 제어)는 3상 사인파 변조를 생성하는 데 사용된 다음 주파수와 진폭을 제어할 수 있는 기술입니다. 계산을 통해 3상 신호가 모터 제어기 회로에서 제어하고 구현하기 쉬운 2상으로 변환됩니다. 무센서 제어를 통해 위치 센서가 없는 대신 다시 기전력(EMF)을 측정하여 회전자 위치를 파악합니다.

마이크로 컨트롤러에서 무센서 FOC 구현

무센서 FOC를 구현하려면 신호를 측정하고 수학적 계산을 수행해야 합니다. 필요한 성능과 주변 장치를 갖춘 마이크로 컨트롤러를 통해 이러한 기능을 구현할 수 있습니다. Infineon의 TLE9879QXA40은 Arm® Cortex®-M3 코어가 결합된 단일 칩 3상 모터 구동기 SoC입니다(그림 2).

그림 2. TLE9879x 응용 제품 구성도 (이미지 출처: Infineon)

외장형 전력 NFET 6개를 통해 3상 모터를 구동하 는데 최적화된 완전 통합형 NFET 드라이버 6개, 저전압 작동 및 프로그래밍 가능 전류를 지원하는 충전 펌프 1개, 최적화된 EMC 동작을 위한 전류 기울기 제어가 포함됩니다. 주변 장치로는 전류 센서 1개, PWM 제어 감지 및 비교 장치와 동기화된 연속 근사화 ADC 1개, 비트 타이머 16개가 있습니다. 범용 I/O 여러 개와 함께 장치에 연결하기 위한 LIN 트랜시버도 포함됩니다. 여기에는 외부 부하 공급을 위한 온칩 선형 전압 조정기도 포함됩니다.

Infineon의 TLE9879QXA40은 BLDC 모터의 자속 기준 제어에 적합한 솔루션입니다. 최소한의 기판 공간에서 비용 효율적인 고성능 BLDC 모터 구동기를 구현하는 데 적합한 성능과 기능을 갖추고 있습니다. FOC 이론과 알고리즘 실행 방법은 세부적인 응용 참고 사항인 “Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC(내장형 전력 SoC를 통한 무센서 자속 기준 제어)”를 참고하세요.

시작하기

Infineon의 BLDC_SHIELD_TLE9879 저비용 평가 기판을 통해 쉽게 무센서 FOC를 시작할 수 있습니다. TLE9879QXA40을 기반으로 하며 Arduino 호환 기본 기판과 함께 BLDC 모터를 구동할 수 있도록 설계되었습니다. Arduino Uno 및 호환 BLDC 모터와 결합하면 1시간 이내에 모터를 구동할 수 있습니다(그림 3).

그림 3. Arduino Uno 기본 기판에 실장된 BLDC_SHIELD_TLE9879 (이미지 출처: Infineon)

BLDC_SHIELD_TLE9879 회로도, Arduino 라이브러리, 전체 설명서는 https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield를 참고하세요. 이 블로그를 살펴보다가 BLDC 모터 구동을 익히기 위해 Uno 및 실드로 작업했습니다. 구성 과정, 테스트 코드, 문서 참고 자료는 DigiKey TechForum의 Driving a BLDC Motor with Infineon’s TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield(Infineon의 TLE9879Qx 3상 모터 구동기 실드를 통한 BLDC 모터 구동)를 참고하세요.

응용 제품 개발

Infineon에서는 TLE9879Qx에 기반한 설계 및 개발에 관해 자세히 알아보고자 하는 분들을 위해 추가 리소스를 제공합니다. 우선, BLDC 실드의 플래시 구성 펌웨어를 위한 소스 코드가 Keil uVision 프로젝트 파일로 제공됩니다. 프로젝트 파일은 BLDC_SHIELD_TLE9879 링크에 있는 실드 프로젝트 페이지의 소프트웨어 다운로드 “BLDC Shield for Arduino with TLE9879QXA40(TLE9879QXA40을 통한 Arduino BLDC 실드)”에 포함되어 있습니다. 또한 DigiKey에서는 BLDC 실드 외에도 REF_WATERPUMP100W 펌프 참조 설계 및 REF_ENGCOOLFAN1KW 팬 참조 설계가 제공됩니다.

결론

Infineon의 BLDC_SHIELD_TLE9879 평가 기판을 통해 신속하고 비용 효율적으로 무센서 FOC를 사용하여 BLDC 모터를 구동할 수 있습니다. 이 기판은 TLE9879QXA40을 평가하고 제공되는 소스 코드를 통해 시작하려는 고급 사용자에게 적합한 리소스입니다.

외부 레퍼런스

1 – Infineon. “Motor Handbook”

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf